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北京邮电大学硕士学位论文 m 系统性能评估 m 系统胜能评估 摘要 随着个人通信技术和市场的发展，在不久的未来，多媒体消息、 在线游戏、视频点播、音乐下载和移动电视等数据业务的需求将远远 超出了现有网络的能力。与w i f i 和w m a x 等无线接入方案相比， w c d m 刖h s d p a 空中接口和网络结构过于复杂，虽然在支持移动性 和q o s 方面有较大优势，但在每比特成本、无线频谱利用率和传输 时延等能力方面明显落后。 因此，3 g p p 为、c d m a 制定了长期演进计划，简称l t e 。它主 要包括两部分，它们是演进的u m t s 地面无线接入网( e u t r a n ) 和演进的u m t s 地面无线接入( e u t r a ) 。e u t r a n 全部基于分组 交换并大大简化了网络结构以降低复杂度并减小系统时延。e u 1 r i 认 物理层则采用m i m o o f d m 的基本架构并使用了自适应编码调制、 h a r q 等先进技术以保证系统吞吐率。 在本论文中我们根据3 g p p 协议t r 2 5 8 1 3 ，2 5 8 1 4 ，2 5 9 1 3 和 2 5 9 1 4 的要求和参数，设计搭建了一个基于s c f d m a 的准静态系统 级仿真器。仿真器包括地理拓扑，w r a p a r o u n d ，大小尺度衰落，功 率控制，干扰消除，自适应编码调制，h a r q ，分组调度等功能模块。 仿真由独立的快拍过程组成。每个快拍过程中u e 的地理位置确定之 后，u e 根据自身的地理位置和大尺度衰落情况选择b s 建立通信链 路。每条链路都要考虑小尺度衰落造成的快速波动，然后进行功率控 制的迭代过程。待系统收敛之后每条链路上开始传输数据。之后我们 采用类似动态仿真的时间驱动的方式观察这个过程一定时间并记录 系统数据。 我们主要研究目前e u t r a 上行物理层的基本参数的设定，例如 帧结构，编码调制方式，h a r q 参数等，对其进行评估以检验系统性 能是否能达到3 g p p 在u e 发展计划中制定的目标，同时对系统采用 的资源分配方式和分组调度方法进行比较研究。 仿真结果表明，在相同带宽和天线配置的条件下，同具有e d c h 的w c d m a 系统相比，e u t r a 物理层能够提供的频谱效率和边缘 北京邮电大学硕上学位论文u e 系统性能评估 用户吞吐率均有2 倍以上的增益，完全符合3 g p p 制定的目标和要求。 当系统进行时频资源分配时建议结合干扰消除策略，利用时频二维联 合的资源分配策略以进一步提高系统频谱效率。通过对调度算法比较 研究可以看出正比公平调度算法兼顾了有效性和公平性，与轮询算法 相比，同时提高了系统的频谱效率和边缘用户吞吐率。 关键字：l t e 系统级仿真仿真器设计频谱效率 北京邮电大学硕士学位论文u e 系统性能评估 s y s t e mp e r f o rm a n c ee v a l i 兀o no f l r e a b s t r a c t t h er a p i dd e v e l o p m e n to fp e r s o n a lc o m m u n i c a t i o nt e c l l n i q u e sa i l d m a r k e t sl e a d st ot h ef a c tt h a tt h ed e m a i l do fd a t as e 九r i c e s u c ha s m u l t i m e d i am e s s a g e ，o n l i n eg a m e ，m u s i cd o w n l o a da n dm o b i l et vw i l l s o o ng ob e y o n dt h ea b i l i t yp r 0 v i d e db yt h ew i r e l e s sn e t w o r kt o d a y c o m p a r e dw i t hw i f ia n dw m a x ，t h en e 帆o r ks 仃u c t u r ea l l da c c e s s p r o t o c o l so f 、c d m a h s d p aa 1 e t o oc o m p l e xa l t h o u g ht h e yh a v e a d v a i l t a g e si nm o b i l 时a n dq o sa s p e c t s ，w h i c hm a k e st h e mf a ub e h i n di n a s p e c t so f w i r e l e s ss p e c t m me f f i c i e n c ya n dt m r l s m i s s i o nd e l a y r n l e r e f o r e3 g p pb u j l dal o n gt e 彻e v o l u t j o n p l a n( l t e ) f o r w c d m a ，w h i c hm a i n l yi n c l u d ee u t r a na n de u t r a e u t r a n b a s e do nc o m p l e t ep a c k c ts w i t c h i n gs i m p l i f i e st h en e t w o r ks t r u c t u r ea n d m i n i m i z et h ed e l a y e u t r al la d o p t sa d v a n c e dt e c h n i q u e si n c l u d i n g m i m o - o f d ms t r u c t u r c ，a m ca r i d h a r qt oi m p r o v es y s t e m t h d u 曲p u t i nt h et h e s i sw eb u i l tas e m i - s t a t i cs v s t e ms i m u l a t o rb a s e do n s c f d m aa c c o r d i n gt o3 g p ps p e c i f i c a t i o n st r 2 5 8 1 3 ，2 5 8 1 4 ，2 5 9 1 3 ， 2 5 9 1 4 t h es i m u l a t o rc o m p r i s e so fc e ul a y o u t ，w h p a r o u n d ，l a 唱es c a l e a n ds m a i ls c a l ef a d i n g ，p o w e rc o n l r o l ，a m c ，h a r qa n ds c h e d u l i n g t h e s i m u l a “o ni sc o m p o s e do fi n d e p e n d e n ts n a p s h o t s w 色e v a l u a t e dt h e 行锄es t l l j c t u r co fe u t r au d l i n kt ov a l i d a t et h e s y s t e mp e r f o m a n c ea c c o r d i n gt o t h ed e s i g i l t a 唱e to fu e w ea l s o r e s e a r c h e da n dc o m p a r e dt h er e s o u r c ea l l o c a t i o ns c h e m e sa n ds c h e d u l i n g a l g o r i t h m r e s u l t ss h o wl h a tc o m p a r e dw i t hw c d m aw i t he d c he u t r al l c a i lp m v i d eb e n e f i to f2 0 0 o ns p e c t m me 衢c i e n c ya n de d g eu s e r t h r o u 曲p u tr a t e ，w h i c hc o m p l e t es a t i s 母t h et a 唱e ta n dr e q u i r e m e n to f 3 g pp w h e nt h e s y s t e ma d o p t st i m e f r e q u e n c yc o m b i n e dr e s o u r c e a l l o c a t i o ns c h e m eb e t t e r s y s t e mm r o u g h p u tc a nb ea c h i e v e d a n d 北京邮电大学硕士学位论文u e 系统性能评估 p r o p o r t i o n a lf a i rs c h e d u l i n gw i l li m p m v et h es y s t e ms p e c t n l me m c i e n c y a j l d e d g e u s e r t h r o u 曲p u t r a t ew h e n c o m p a r e d 、) l ，i t h r o u n d r o b i n s c h e d u l i n g k e y w o r d ： l t e s y s t e ml e v e ls i m u l a t i o n s i m u l a t o r d e s i g n s p e c t r u me f f i c i e n c y 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论 本人签名： 处，本人承担一切相关责任。 日期：幽：! ：三 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 姓黧耋孑燮竺兰适鬣! 釜生兰 导师签名：翌：垂墨 日期：兰竺竺：! 北京邮电大学硕 学位论文u t 系统性能评估 第一章绪论 1 1 开展l t e 研究的背景和进程回顾川【2 】 伴随g s m 等移动网络在过去的二十年中的广泛普及，全球语音通信业务获得 了巨大的成功。目前，全球的移动语音用户已超过了1 8 亿。同时，我们的通信 习惯也从以往的点到点( p l a c et op l a c e ) 演进到人与人。 个人通信的迅猛发展极大地促使了个人通信设备的微型化和多样化，结合多 媒体消息、在线游戏、视频点播、音乐下载和移动电视等数据业务的能力，大大 满足了个人通信和娱乐的需求。 另外，尽量利用网络来提供计算和存储能力，通过低成本的宽带无线传送到 终端，将有利于个人通信娱乐设备的微型化和普及。g s m 网络演进到 g p r s e d g e 和w c d m a h s d p a 网络以提供更多样化的通信和娱乐业务，降低 无线数据网络的运营成本，已成为g s m 移动运营商的必经之路。但这也仅仅是 往宽带无线技术演进的一个开始。w c d m h s d p a 与g p r s e d g e 相比，虽然 无线性能大大提高，但是，在i p r 的制肘、应对市场挑战和满足用户需求等领域， 还是有很多局限。 由于c d m a 通信系统形成的特定历史背景，3 g 所涉及的核心专利被少数公 司持有，在i p r 上形成了一家独大的局面。专利授权费用已成为厂家承重负担。 可以说，3 g 厂商和运营商在专利问题上处处受到制肘，业界迫切需要改变这种 不利局面。 面对高速发展的移动通信市场的巨大诱惑和大量低成本，高带宽的无线技术 快速普及，众多非传统移动运营商也纷纷加入了移动通信市场，并引进了新的商 业运营模式。这些新兴力量给传统移动运营商带来了前所未有的挑战，加快现有 网络演进，满足用户需求，提供新型业务成为在激烈的竞争中处于不败之地的唯 一选择。 与此同时，用户期望运营商提供任何时| 日j 任何地点不低于l m b p s 的无线接入 速度，小于2 0 m s 的低系统传输延迟，在高移动速率环境下的全网无缝覆盖。两 最重要的一点是能被广大用户负担得起的廉价终端设备和网络服务。 这些要求已远远超出了现有网络的能力，寻找突破性的空中接口技术和网络 结构是势在必行。与w i f i 和w i m a x 等无线接入方案相比，w c d m h s d p a 空中接口和网络结构过于复杂，虽然在支持移动性和o o s 方面有较大优势，但 在每比特成本、无线频谱利用率和传输时延等能力方面明显落后。根据3 g p p 标 北京邮屯大学硕t 学位论文u t 系统性能评估 准组织原先的时问表，4 g 最早要在2 0 1 5 年才能正式商用，在这期间传统电信设 备商和运营商将面临前所未有的挑战。 用户的需求、市场的挑战推动了3 g p p 组织在4 g 出现之前加速制定新的空 中接口和无线接入网络标准。2 0 0 4 年1 1 月，3 g p p 加拿大多伦多“u 1 1 r a n 演进” 会议收集了无线接入网r 6 版本之后的演进意见。在随后的全体会议上，“演进的 u t r a 和u 队n ”又称为“l o n gt e n l le v o l m i o n ( m ) ”即“3 g 长期演迸”的研 究项目得到了二十六个组织的支持，并最终获得通过。这也表明了3 g p p 组织运 营商和设备商成员共同研究3 g 技术演进版本的强烈愿望，基本思想是采用过 去为b 3 g 或4 g 发展的技术来发展l t e ，使用3 g 频段占有宽带无线接入市场。 2 0 0 4 年1 2 月3 g p p 雅典会议决定由3 g p pr a n 工作组负责开展l t e 研究。从 2 0 0 4 年1 2 月到2 0 0 6 年6 月份为“s t u d y i t 锄”，即技术可行性研究阶段；从2 0 0 6 年6 月到2 0 0 7 年6 月为“w o r kn 锄”，即具体技术规范的撰写阶段。按计划，2 0 0 7 年6 月3 g p p 将完成项目，发布3 g 演迸型系统第一个版本的技术规范。 为了在未来移动通信技术竞争激烈的环境中处于有利位置，l t e 项目开始以 后，作为技术研究工作的基础，在3 g p p 中对演进型系统的市场需求进行了详细 的讨论，从“系统性能要求”、“网络的部署场景”、“网络架构”、“业务支持能力” 以及“与现有各个系统的演进和互通关系”等方面进行了详细的描述。相比目前各 个第三代移动通信系统，该演进具有如下主要技术特点：提高通信速率和频谱效 率，系统的最大带宽为2 0 m h z ，在这样的带宽下，下行峰值速率为l o o m b p s 、 上行为5 0 m b p s ：分组交换与q o s 保证，系统在整体架构上将基于分组交换，同 时通过系统设计和严格的o o s 机制，保证实时业务( v o i p 、视频流等) 的服务 质量；支持各种系统带宽，除了2 0 m h z 的最大带宽以外，还能够支持1 2 5 m h z 、 1 6 m h z 、2 5 m h z 、5 m h z 、l o m h z 和1 5 m h z 等系统带宽，以及“成对”与“非 成对”频段的部署，以保证将来在系统部署上的灵活性。另外，还明确提出了“系 统在支持高移动速率的基础上，为低移动速率用户优化”、“提高小区边缘用户的 吞吐量”等具体的系统需求，这些市场需求比较全面地描述了l t e 系统在各个方 向上的设计目标，为具体的系统设计工作奠定了良好的基础。 在l t e 系统的技术研究方面，2 0 0 5 年3 月3 g p p 制订了相应的工作计划， 各工作小组丌始了各个方面的具体研究工作，其中包括r a n l 工作组对于l t e 系统物理层的研究；r a n 2 、r a n 3 和s a 2 工作组对于网络架构和接入网协议功 能的研究；r a n 4 工作组对于无线射频以及接入网性能评估的研究。 按照工作计划，到目前为止，u e 项目的s t u d vi t 锄，即技术可行性研究阶 段已经过去了超过一半的时日j ，各个工作小组的研究工作都取得了进展，其中物 理层作为空中接口的基础在移动通信系统中扮演着重要的角色，而无线接入的多 2 北京邮电大学硕士学位论文u e 系统性能评估 址方式作为物理层的基础，在移动通信系统的演进中起着重要的作用( 二代g s m 系统、f dm a t d m a 、三代系统c d m a 、未来0 f d m a ) 。3 g p p 黜n l 工作 组对各个公司提交的候选提案进行了概括和收敛，确定了六种备选的多址方式， 包括：f d d 上行s c f d m a ，下行o f d m a ；f d d 上行o f d m a ，下行o f d m a ； f d d m c w c d m a ；t d d m c t d s c d m a ；t d d 上行o f d m a ，下行o f d m a ； t d d 上行s c f d m a ，下行o f d m a 。 其中包括两种对于现有基于c d m a 技术的第三代移动通信系统进行多载波 演进的方案和四种以o f d m 技术为基础的多址方式。随后开始了对于上述六种 方案的筛选过程，由于多址方式对于移动通信系统至关重要，因此相关的筛选过 程受到了广泛的重视。在2 0 0 5 年1 2 月份结束的3 g p p r a n 全会上，有了初步的 结论，首先从六种候选的多址技术方案中，选择了“上行s c f d m a ，下行 0 f d m a ”的方案作为l 1 e 关于多址方式的工作假设以进行后续的研究工作。同 时，对于基于c d m a 技术的候选提案，确定了将作为对现有3 g 系统更加直接 的演进方式在目前3 g p p 已有的版本演进路线上进行，由此也基本确定了l 1 e 系统将采用以o f d m 技术为基础的多址方式。另一方面，关于网络架构的研究 也在积极地进行，在整体方向上与第三代移动通信系统相比较，l t e 的网络架构 将向“扁平化”方向发展，其中涉及若干具体问题，例如“扁平网络的简单与灵活”、 “多层次网络的移动性支持与安全性”等内容还需要深入的讨论以寻求良好的解 决方案。总体说来，随着项目的进展以及若干系统设计基础问题的解决，l t e 系 统的技术发展方向将逐步明确，从而进入具体技术细节的设计与完善阶段。 3 g p p 经过激烈的讨论和艰苦的融合，终于在2 0 0 5 年1 2 月选定了l t e 的基 本传输技术，即下行o f d m ；上行s c ( 单载波) 一f d m a 。l t e 讨论中的一个焦点 是是否采用宏分集技术。这个问题看似是物理层技术的取舍，实则影响到网络架 构的选择，对删s a e 系统的发展方向有深远的影响。宏分集的基础是软切换， 这种c d m a 系统的典型技术在f d m a 系统中却引出了“弊大还是利大”的争论。 3 g p p 在2 0 0 5 年1 2 月进行了“示意性”的投票，最后决定l t e ( 至少在目前) 不考 虑宏分集技术。 l t e 在数据传输延迟方面的要求很高( 端到端延迟小于5 m s ) ，这一指标要求 l t e 系统必须采用很小的交织长度( t t d ，因此大多数公司建议采用0 5 m s 的子 帧长度。但是一些研发t d d 技术的3 g p p 成员注意到这种子帧长度和u m t s 中 现有的两种t d d 技术的时隙长度不匹配。例如t d s c d m a 的时隙长度为 o 6 7 5 m s ，如果u et d d 系统的子帧长度为0 5 m s ，则新、老的系统的时隙无法 对齐，使得t d s c d m a 系统和l t e t d d 系统难以“临频同址”共存。在中国公司 的唪持下，3 g p p 在这个问题上达成一致：基本的子帧长度为o 5 m s ，但在考虑 北京邮电大学硕t 学位论文u t 系统性能评估 和t d s c d m a 系统兼容时可以采用o 6 7 5 的子帧长度。 至今为止，o f d m s c f d m a 的基本设计参数初步确定。o f d m 和 s c f d m a ( 以d f t - s o f d m 为例) 的子载波宽度为1 5 k h z ，0 f d m 循环前缀( c p ) 的长度有长短两种选择，短c p 为基本选项，长c p 可用于大范围小区或多小区 广播。d f l ：s o f d m 的一个子帧由长短两种数据块组成，长块主要用于传送数 据，短块主要用于传送导频信号。 下行主要采用q p s k 、1 6 q a m 、6 4 q a m 三种调制方式，上行主要采用位移 b p s k ( 用于进一步降低d f t s 0 f d m 的p a p r ) 、q p s k 、8 p s k 和1 6 q a m ，另一 个正在考虑的降p ：a p r 技术是频域滤波。上下行的最小资源块大小为2 5 个子载 波，即3 7 5 k h z 。系统可以采用集中式( 1 0 c a l i z c d ) 或分散式( d i s 证b u t e d ) 方式将数据 映射到资源块上。 在信道编码方面，l t e 主要考虑t l l l b o 码，但也正在考虑其他编码方式，如 l d p c 码。在m i m 0 方面，l t e 的基本m i m 0 模型是下行2 2 、上行i 2 个天 线，但同时也正在考虑更多的天线配置( 最多4 4 ) 。正在被考虑的m i m 0 技术包 括空间复用( s m ) 、空分多址( s d m a ) 、预编码( p r e c o d i n g ) 、秩自适应 ( r a l l k a d 印t a c i o n ) 、以及开环发射分集( s t l d ，主要用于控制信令的传输) 等。上 行将采用一种特殊的s d m a 技术，即已被w i m a x 采用的虚拟( v i r h j a l ) m i m o 技 术。另外，l t e 也正在考虑采用小区干扰抑制技术提高小区边缘的数据率和系统 容量等。 在切换方面，除了l t e 系统内的切换，也j 下在考虑不同频率之间和不同系 统( 如其他3 g p p 系统、w l a n 系统等) 的切换。对于其他的物理层技术，如上 行导频、小区搜索、随机接入、多播广播( m b m s ) 、l a y 盯1 和l a y e r2 信令等， 也正在讨论之中。 总之，尽管u e 的研究工作已经取得了一系列重大的进展，但仍然明显滞 后于原工作计划。如果3 g p p 不能如期完成l t e 的可行性研究，则研究阶段( s i ) 将被迫延长，从而导致工作阶段( w i ，标准制定阶段) 无法按时开始。 1 2 l t e 系统结构和主要。眭能目标 l t e 包括两部分，它们是演进的u m t s 地面无线接入网( e u t r a n ) 和演 进的u m t s 地面无线接入( e u t r a ) 。 下面对这两部分分别进行简要介绍。 4 北京邮电大学硕士学位论文e 系统性能评估 1 2 1e u 1 1 r a n 结构 3 】 图1 1e u 1 1 认n 结构图【3 】 演进的u t r a n 结构图如图1 1 所示，仅由e n b 组成。e n b 是向u e 提供的 控制平面和用户平面协议的终点。c n b 之间通过x 2 接口互连。e n b 通过s l 接 口同演进的分组交核心网相连。 e n b 负责无线资源管理功能，包括无线承载控制，无线接入控制，连接移动 性控制，动态资源分配。 移动性管理实体( m m e ) 负责将寻呼信息分发至e n b 。 用户平面实体( u p e ) 负责对用户数据流的口首部的压缩和加密，终止用 于寻呼的用户平面数据包，为了支持u e 移动性而进行用户平面的切换。 s l 接口是区分e u t i 认n 和e p c 的接口。s 1 接口包括两部分，分别是控制 平面接口( s 1 c ) 和用户平面接口( s 1 u ) 。s 1 c 是e n b 和e p c 中m m e 的接 口，而s l u 是c n b 和e p c 中u p e 的接口 s 1 c 无线网络层协议将支持以下功能，包括移动性功能( 支持系统内和系 统问的u e 移动性) ，连接管理功能( 处理l t ei d l e 到l 1 ea c t i v e 的转变， 漫游区域限制等功能) ，s a e 承载管理( s a e 承载的建立，修改和释放) ，总的 s l 管理和错误处理功能( 释放请求，所有承载的释放和s 】复位功能) ，在e n b 中寻呼u e ，在e p c 和u e 白j 传输n a s 信息，m b m s 支持功能。 s 1 u 无线网络层协议将支持e n b 和u p e 之间用户数据包的隧道传输。而隧 北京部电大学硕士学位论文 l 1 e 系统性能评估 道协议将支持以下功能，包括对数据包所属的目标基站节点的s a e 接入承载的 标识，减少由于移动性而导致的数据包丢失，错误处理机制，m b m s 支持功能， 包丢失检测机制。 x 2 接口是e n b 之间的接口。x 2 接口包括两部分，分别是控制平面接口 ( x 2 u ) 和用户平面接口( x 2 u ) 。x 2 c 是c n b 之间控制平面的接口，而x 2 一u 是e n b 之间用户平面的接口 x 2 c 无线网络层协议将支持移动性功能( 支持e n b 之间的u e 移动性，包 括切换信令和用户平面隧道控制) ，多小区r r m 功能( 支持多小区的无限资源 管理和总的x 2 管理和错误处理功能) 。 x 2 u 无线网络层协议将支持e n b 之间用户数据包的隧道传输。隧道协议将 支持以下功能，包括对数据包所属的目标基站节点的s a e 接入承载的标识减少 由于移动性而导致的数据包丢失。 1 2 2e u t r a 无线接口协议结构【3 】【5 】 e u t r a 的空中接口协议分为l l 层，l 2 层和l 3 层。 e u 1 1 u 的物理层将支持多种不同的系统带宽，包括1 2 5 m h z ，1 6 m h z ， 2 5 m h z ，5 m h z 。，1 0 m h z ，1 5 m h z 和2 0 m h z 。 下行的基本传输模式是带有循环前缀的常规0 f d m a 。上行的基本传输模式 是具有低峰均比的单载波传输，并且带有循环前缀以保证上行各用户问的正交性 而且便于在接收端进行有效的频域均衡。 调制方式将采用b p s k ，q p s k ，1 6 q a m 和6 4 q a m ，而信道编码将采用1 u b o 码。 上下行都将支持h a r o ，自适应编码调制，快速功率控制以及以m i m 0 和 发送分集为代表的多天线技术。 同时物理层还负责完成同步，随机接入，为支持调度和切换而进行的测量， 控制信令呵和上层数据的复用等功能。 l 2 层分割为以下几个子层：媒体访问控制( m a c ) 子层，无线链路控制( r l c ) 子层和分组数据汇聚( p d c p ) 子层。各个子层之日j 使用服务接入点( s a p ) 作 为端到端通信的接口。物理层和m a c 子层的s a p 提供传输信道，m a c 子层和 r u c 子层的s a p 提供逻辑信道，r l c 子层和p d c p 子层之问的接口是无线承载。 6 北京邮电大学硕士学位论文眦系统性能评估 r l c 图1 2 卧m 和a g w 端的下行l 2 层结构【5 】 图1 3u e 端的上行l 2 层结构【5 】 7 北京邮电大学硕学位论文 u e 系统性能评估 上下行的l 2 层结构分别如图卜2 和卜3 所示。 m a c 子层提供的主要服务和功能包括逻辑信道和传输信道的映射，将来自 r l c 层的p d u 按照传输块大小映射到物理层，传输流量测量报告，h a r q 的纠 错，属于一个u e 的不同逻辑信道的优先级处理，不同u e 间的优先级处理和传 输格式选择等。 r l c 子层提供的主要服务和功能包括支持以a m ，u m 或t m 方式发送上层 p d u ，通过a r q 纠正错误，根据t b 的大小分割p d u ，必要时的重新分割，上 层p d u 的顺序传送，协议错误纠正和恢复，流控制和s d u 丢弃等。 p d c p 层功能主要包括使用健壮性首部压缩协议( r o h c ) 进行首部的压缩 和解压缩，传送用户数据( 接收来自n a s 的p d c ps d u 并将其转发到r l c 层 或者接收来自r l c 层的p d u 并将进行处理然后转发到n a s 层) ，对用户层面数 据和控制层面数据进行加密，对控制层面数据进行完整性保护 p d c p 层的结构图如图卜4 所示。 u 9 e fp t a n e s a eb e a r e r s c o n t m | p l a n e n a ss i g n a i i i n g 图1 _ 4p d c p 层结构图【5 】 m a c 子层和r l c 子层的s a p 提供逻辑信道。 逻辑信道可以分为控制信道( 用于传送控制平面信息) 和业务信道( 用于传 送用户平面信息) 。控制信道仅用于传输控制平面信息，包括广播控制信道( 广 播系统控制信息的下行信道) ，寻呼控制信道( 发送寻呼信息的下行信道，当网 络不知道u e 所在小区时使用此信道) ，多搔控制信道( 点到多点下行信道，用 于从网络向u e 发送一个或多个m t c h 的m b m s 控制消息) ，专用控制信道( 在 网络和u e 问传输专用控制信息的点到点双向信道) 。业务信道包括专用业务信 道( 一个u e 专用的点到点信道，用与传输用户信息) 和多播业务信道( 点到多 点的下行信道，用于从网络向u e 发送业务数据；支持m b m s 的u e 才能使用 该信道) 。 北京邮电大学硕士学位论文m 系统性能评估 物理层和m a c 子层的s a p 提供传输信道。 传输信道分为上下行。下行传输信道包括广播信道( 采用预设的传输格式。 广播小区和系统信息。需要能够覆盖整个小区范围) ，下行共享信道( 支持h a r q 和动态链路自适应技术；支持u e 的非连续接收以节省u e 能耗；支持m b m s ； 可能需要覆盖整个小区范围；可能使用波束成型技术：可能支持动态和半静态资 源分配) ，寻呼信道( 支持u e 的非连续接收以节省u e 能耗；需要能够覆盖整 个小区范围) 和多播信道( 需要覆盖整个小区范围；支持多小区m b m s 传送合 并；支持半静态资源分配) 。上行传输信道包括上行共享信道( 支持动态链路自 适应技术例如功率控制和自适应编码调制；支持h a r q ；支持动态和半静态资源 分配；可能使用波束成型) 和随机接入信道。 r r c 层的主要功能有广播与n a s 和a s 相关的系统信息，寻呼，建立维护 并释放u e 和e i r r r a n 之间的r r c 连接，i u k 消息的完整性保护，建立维护 并释放点到点之间的无线承载，包括u e 测量报告和小区间切换、小区选择和小 区重新选择等在内的移动性功能。 1 2 3 l t e 主要性能要求【4 】 4 在系统部署、复杂度、无线资源管理等方面均提出了详细的要求。在这 里主要介绍e u t r a 的系统性能要求。 e - u t r a 的系统性能要求主要包括用户吞吐率和频谱效率两方面。 1 用户吞吐率 对于下行链路，积累概率分布5 对应的每删z 的用户吞吐率应该达到r 6 版本中h s d p a 的2 到3 倍。每洲z 带宽的平均用户吞吐率应该达到r 6 版本中h s d p a 的3 到4 倍。上述r 6 版的性能目标都是在n o d e b 端使用单天线u e 端是使用增强 性能的1 类接收机时的值，而e u t r a 在基站端可以使用双发送天线在u e 端可以 使用双接收天线。支持的用户吞吐率应当与系统带宽成j 下比。 对于上行链路，积累概率分布5 对应的每m h z 的用户吞吐率应该达到r 6 版本中增强上行接入的2 到3 倍。每m h z 带宽的平均用户吞吐率应该达到r 6 版 本中增强上行接入的2 到3 倍。r 6 版和e u t r a 都使用u e 端单发送天线基站端 双发送天线的配置。支持的用户吞吐率应当与系统带宽成正比 2 频谱效率 e u t r a 应当在不改变基站布址的同时极大的改进频谱效率并提高小区边缘 比特速率。 下行的频谱效率应该达到如下目标：在负载网络中，频谱效率( 比特秒赫 兹站点) 应当达到r 6 版中h s d p a 的3 到4 倍。上述r 6 版的性能目标都是在n o d e b 9 北京邮电大学硕士学位论文u t 系统性能评估 端使用单天线u e 端是使用增强性能的1 类接收机时的值，而e u t r a 在基站端可 以使用双发送天线在u e 端可以使用双接收天线。 上行的频谱效率应该达到如下目标：在负载网络中，频谱效率( 比特秒赫 兹站点) 应当达到r 6 版中增强型上行的2 到3 倍。r 6 版和l t e 都使用u e 端单 发送天线基站端双发送天线的配置。 o 北京邮电大学硕士学位论文u t 系统性能评估 第二章l t e 上行物理层关键技术及其参数配置 l t e 的物理层了采用了s c f d m a 、h a r q 、m m i o 等先进技术，下面逐一 进行介绍。 2 1s c f d m a 2 1 1 基本原理【6 】【7 】 s c f d m a ( 单载波一频分复用多址接入) 实际上是o f d m a ( 正交频分复 用多址接入) 的一种变形。它的基本原理和o f d m a 是相同的，只是为了减少系 统的峰值功率比过高的问题而少作了修改。因此我们先简单介绍o f d m ，然后 再介绍s c f d m a 。 o f d m 技术是一种特殊的多载波传输方案，它可以被看作一种调制技术， 也可以被当作一种复用技术。选择0 f d m 的一个主要原因在域该系统能够很好 的对抗频率选择性衰落或窄带干扰。 在传统的并行数据传输系统中，整个信号频段被划分为n 个互相不重叠的 频率子载波。每个子载波传输独立的调制符号，然后再将n 个子载波进行频率 复用。这种避免载波频谱重叠看起来有利于消除载波信道问的干扰，但没有有效 利用频谱资源。而o f d m 系统的各个子载波虽然在频率上相互重叠却保持了子 载波之间的正交性，因而提高了频谱利用率。 一个0 f d m 符号可以表示为 一1个： 5 ( f ) = r e d ，c f ( f f ，一专) e x p 【2 万( 正+ 专) o f ，) 】) f f ，+ r 式( 2 1 ) l _ 0 厶1 其中，n 表示子载波的个数，t 表示0 f d m 符号的时间长度， d = o ，l ，一1 ) 是每个子载波的数据符号，正是第0 个子载波的载波频率，f ， 是o f d m 符号的起始时间。 o f d m 符号的复等效基带信号可以表示为 一1 甲； s ( f ) = d ，c f ( f f ，一) e x p ，2 石专( f f ，) 】 f ，s f f ，+ r 式( 2 2 ) 假设对第j 个子载波进行解调，然后在时问长度t 内进行积分，即： 北京邮电大学硕士学位论文u t 系统性能评估 c i ，= 打7 e x 州2 万手( ) ) 篓d ，唧( 胁扣u ) 出 = ；篓d ，卜舭万半h 埘出 式( 2 - 3 ) = d i 这一特性解释了子载波之间的正交性。这种特性还可以从频域角度来理解。 每个o f d m 符号在其周期t 内包括多个非零的子载波。因此其频谱可以看作是 周期为t 的矩形脉冲的频谱与一组位于各个子载波上的冲击函数的卷积。矩形脉 冲的频谱为s i n c 函数，其零点出现在频率为l 厂r 整数倍的位置上。 如图2 1 所示，横坐标代表频率。每一子载波频率的最大值处，所有其他子 载波的频谱值恰好为零。由于在对o f d m 符号进行解调的过程中，需要计算这 些点上所对应的每一子载波频率的最大值，因此可以重多个相互重叠的子载波符 号频谱中提取出每个子载波符号，而不会受到其他子载波的干扰。实际上o f d m 符号的频谱在频域上满足奈奎斯特准则，因此可以避免子载波问干扰的出现。 1 h 1 b n 9 21 h 31 h 图2 1o f d m 原理频谱示意图 对式2 2 中的信号，令= 0 ，并忽略式中的矩形函数m 甜( ) ，然后以俐 的速率进行抽样，即令忙| r ( 女= 0 ，l ，一1 ) ，可以得到： 驴啪r ) ：孰e x p ( 等) ( o _ j - 1 ) 式( 2 - 4 ) = 0 j v 可以看到 等效为对d ，进行i d f t 运算。同理在接收端，对进行d f t 变 换，可以得到 4 = m r ) = 蓑s 。e x p ( 等) ( o 兰j 一1 ) 式( 2 5 ) 北京邮屯大学硕士学位论文u t 系统性能评估 因此我们可以看出，o f d m 符号的调制和解调可以分别用d f t 和d f t 来 代替。在实际系统中一般采用i f f t 和f f t 。 在发送端进行完i f f t 之后，系统还要为每个o f d m 符号加入循环前缀。 o f d m 的一个突出重要原因在于它可以有效的对抗多径时延扩展。把输入数据 流串并变换到n 个并行的子信道中，使得每一个调制子载波的数据周期可以扩 大为原始数据符号周期的n 倍，因此时延扩展与符号周期的数值比也同样降低n 倍。为了最大限度的消除符号间干扰，还可以在每个0 f d m 符号之间插入保护 间隔，而且该保护间隔长度一般要大于无线信道中的最大时延扩展，这样一个符 号的多径分量就不会对下一个符号造成干扰。在这段保护间隔内可以不插任何信 号，即是一段空白的传输时段。然而在这种情况下，由于多径传播的影响，在接 收端f f t 运算时间长度内各个子载波的周期个数不为整数，因此载波间的正交 性遭到破坏，不同的子载波之间会产生干扰。为了解决这个问题，在发送端做完 i f f t 之后，系统复制符号周期末端的一段抽样值，并填充在保护间隔内。这样 通过循环复制增加了符号的波形长度，在交接点没有任何的间断。因此保证了每 个子载波内有一个整数倍的循环，从而可以进一步抵制子载波间干扰。 把一个o f d m 符号中的子载波通过频分复用的方式分配给不同的用户，这 就构成了一种多址接入的方式，称为o f d m a 。 由于o f d m 符号是由多个独立的经过调制的子载波信号相加而成，因此由 可能产生比较大的峰值功率与平均功率比，这要求发射机的功率放大器和数模转 换器要具有很大的线性工作范围。反之如果峰值功率超过了这些部件的线性工作 范围，所产生的非线性失真会带来子载波间干扰，对系统性能产生严重影响。 s c f d m a 就是为了克服0 f d m a 系统的峰值功率比过高的问题而被提出作为 l t e 的上行候选无线接入技术。 s c f d m a 的系统框图如图2 2 所示 c o d e d 剐m b o l 肛r 皿k l j b o l s s u b - c a m e r m a p p i n g f f t s i - h h xs i z e n w 图2 2s c f d m a 原理图【6 】 我们可以看出，s c f d m a 只是在发射端做i f f t 之前加入了一个d f t 模块， 因此也被称为d f t - s p r e a do f d m a ，其本质上还是一个0 f d m a 系统。 北京邮电大学硕：t 学位论文 u e 系统性能评估 2 2 2 上行的帧结构 6 】 l t e 上行的子帧结构如图2 - 3 所示。子帧的长度为0 5 碍。每个子帧由6 个 长块( l b ) 和2 个短块( s b ) 组成。 ! 女盘也! ! q ：盟鲎 - 图2 3 上行子帧结构【6 】 短块主要用来发送参考信号，也有可能发送控制信号和数据信号。长块用来 发送控制信号和数据信号。上行信号的最小t t i ( 传输时问间隔) 就是子帧长度。 帧结构的具体参数见表2 1 。为了使系统在不同的带宽下能够采用统一的帧 结构，上行系统采用了保证子载波间隔不变的设计。设0 f d m 符号周期为t ，